Universidad Carlos III de Madrid - UC3M

El profesor Raúl Sánchez Fernández de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) ha recibido el premio "Miguel Catalán" que otorga la Comunidad de Madrid a científicos de menos de cuarenta años, por su investigación en física de plasmas y termofusión nuclear.

El premio, que reconoce la excelencia en la investigación, valora la trayectoria y el impacto de los trabajos realizados por este profesor del departamento de Física de la UC3M, que tiene una intensa relación con la Universidad de Fairbanks de Alaska y el Laboratorio Nacional Oak Ridge de Tennessee (EEUU), un centro de referencia mundial en tecnologías de plasma y fusión. Raúl Sánchez Fernández ha centrado sus investigaciones en el área de la física de plasma y la termofusión nuclear, en concreto en el estudio teórico y básico de la física de sistemas de confinamiento magnético de plasmas, como el que emplea el prototipo de reactor tipo Tokamak del ITER, actualmente en construcción.

El investigador recibió la noticia cuando se encontraba en Estados Unidos durante una estancia en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, donde trabaja en varios proyectos relativos al estudio de la turbulencia, el transporte y la estabilidad de plasmas de fusión confinados magnéticamente en los que lleva ocupado varios años junto con otras personas del departamento de Física de la Universidad. "La noticia me llenó de alegría porque supone un reconocimiento a mi trabajo y al de mis colaboradores durante todos estos años, pero también porque espero que ayude a que en nuestro país se conozca la investigación que nuestra pequeña pero fogosa comunidad científica realiza en el campo de la fusión y física de plasmas", afirma.

En busca de una energía limpia e inagotable

La fusión nuclear se produce cuando dos núcleos atómicos de elementos ligeros se unen dando lugar a elementos más pesados, desprendiendo una gran cantidad de energía. Para que se pueda producir esta reacción es necesario un gran aporte de energía para alcanzar temperaturas del orden de decenas de millones de grados que permiten que los núcleos se acerquen lo suficiente como para vencer su repulsión natural y se condensen en estado de plasma. Pero una vez en marcha, el proceso puede autosostenerse con un aporte energético exterior minimo, formando lo que se llama un plasma en ignición. Para evitar que estos plasmas entren en contacto con ningún medio material, uno de los métodos que se emplean en algunos reactores de fusión es el confinamiento magnético, que consiste en aislar el plasma en una cámara de vacío mediante campos magnéticos. "Uno de los problemas es que este tipo de plasmas son por naturaleza muy inestables y están dominados por la turbulencia que aparece en su interior y que hace que tanto el plasma como su energía intenten abandonar muy rápidamente la botella magnética que los confina", explica el profesor Raúl Sánchez.

Imagen de un instante de una turbulencia inducida por gradientes de temperatura iónica, que se cree que domina el confinamiento en el centro de plasmas de fusión. Esta simulación se ha hecho en una geometría toroidal con los parámetros de un reactor tokamak.

El éxito de esta manera de producir energía requiere evitar la aparición de estas inestabilidades o controlarlas si aparecen, al igual que las turbulencias que dominan su interior y aceleran enormemente el deterioro del confinamiento. En las últimas décadas se han hecho grandes avances en esta dirección, pero se han usado plasmas de deuterio que no producen neutrones de alta energía y que son, por tanto, más fáciles de operar. La fusión de deuterio y tritio es, sin embargo, la más accesible energéticamente, ya que requiere una temperatura más baja. Por ello, todavía quedan muchos retos por resolver, como los que tienen que ver con la introducción del tritio, que es un isótopo inestable. O como la demostración de que estos plasmas pueden entrar en ignición, es decir, 'autocalentarse' con la energía almacenada por los átomos de helio producidos en las reacciones de fusión. "Además - adelanta el investigador - la fusión de tritio y deuterio, los dos elementos que se utilizan, producirá grandes flujos de neutrones muy energéticos que se dirigirán hacia las paredes del reactor, por lo que habrá que encontrar materiales capaces de soportar dichos flujos", concluye. Con el fin de afrontar todos estos retos, la comunidad internacional, incluida España, ha puesto en marcha el proyecto ITER, un reactor de este tipo que se está construyendo en el sur de Francia con un presupuesto de más de 20.000 millones de euros. De su éxito dependerá el futuro de esta fuente de energía, en principio, limpia e inagotable.

Códigos para entender la fusión

Y en ello trabaja el profesor Raúl Sánchez Fernández en el seno del Grupo de Física de Plasmas de la UC3M, donde tratan de entender a nivel teórico la dinámica de la turbulencia que domina estos plasmas o su estabilidad magnetohidrodinámica. La variedad de los fenómenos que aparecen en estos plasmas es tan amplia que requiere del teórico que los estudia el dominio de muchas disciplinas de la física, desde el electromagnetismo a la física estadística, pasando por la física atómica, la física de fluidos y la relatividad especial. "Somos un grupo relativamente pequeño pero muy activo internacionalmente, trabajando tanto en reactores tokamaks (como el proyecto ITER) como en otros dispositivos de fusión, como el stellarator o el reversed-field-pinch", comenta el experto.

Entre sus investigaciones destaca el estudio de la estabilidad MHD de configuraciones magnéticas confinantes de plasma. En este sentido, desarrolló en el año 2000 el código COBRA para el cálculo de dicha estabilidad, una herramienta estándar que se ha usado extensamente en los laboratorios de fusión más importantes del mundo, como en el diseño del stellarator NCSX y el QPS del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, así como para la interpretación de resultados experimentales en el heliac TJ-II del CIEMAT, el helias W7-AS de Alemania y el torsatron LHD de Japón. Ahora está desarrollando el código SIESTA para resolver equilibrios magnéticos con islas y regiones estocásticas, que puede convertirse en una herramienta muy útil tanto para ITER como para el diseño de mejores configuraciones de reactores en el futuro, según el investigador. Todas estas actividades han contribuido a avanzar de forma relevante en el conocimiento de la energía de fusión, obteniendo un importante prestigio internacional.

Los Premios “Miguel Catalán” a la trayectoria científica pretenden servir de estímulo y fomento de la investigación y están destinados a promover, ensalzar y reconocer los valores científicos y humanísticos de investigadores vinculados a la Comunidad de Madrid, que a través de su trayectoria profesional han contribuido al avance del conocimiento y al progreso y dignidad del hombre. En la modalidad correspondiente a investigadores menores de 40 años, cuentan con una dotación económica de 21.000 euros para investigador galardonado.

Imágenes resultado del código SIESTA que muestran la estructura anidada de las superficies magnéticas que confinan el plasma, así como la aparición de islas magnéticas.

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